钢结构课程设计 2 - 图文

湖南工业大学科技学院

课程设计计算书

课 程 名 称 建筑钢结构设计大作业 院 部 包装与土木工程 专 业 建筑工程 班 级 建工0901

姓 名 詹宗益 学 号 0912080101

目录

1. 设计资料????????????????2

2. 屋架形式、尺寸、材料及支撑布置?????2

3. 荷载和内力分析?????????????3

4. 截面选择????????????????4

3. 参考文献???????????????13

5. 附表一????????????????14

6. 附表二????????????????15

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1.设计资料

屋架钢材为Q235B，焊条E43型，手工焊。屋架支承在钢筋混凝土排架柱上，钢筋混凝土柱上柱截面尺寸为：400mm×400mm；混凝土强度等级为C25，屋架节点采用焊接方式。厂房柱距为6m，长度为90m，跨度为24m。屋面坡度1：:10。屋面材料采用1.5?6.0m预应力混凝土大型屋面板，卷材屋面（防水层：二毡三油上铺小石子；找平层：20mm厚水泥砂浆）。有100mm厚泡沫混凝土保温层。屋面均布活载为：0.5kN/m2。雪荷载为：0.1 kN/m2。风荷载为：0.3 kN/m2。轴线处屋架端部高度为1.890m，距轴线0.15m处屋架端部高度h1为1.995m。厂房内设A5级工作制桥式吊车，起重量Q≤200kN。地面粗糙度类别为B类，结构重要性系数为?0?1.0。排水：外天沟。屋架形式：梯形钢屋架，屋架下弦标高为9.8m。

2.屋架形式、尺寸、材料及支撑布置

本厂房为无檩屋盖方案，i?1/10，采用梯形钢屋架。屋架计算跨度L0?L?300?23700mm，端部高度取H0?1890mm，中部高度H?3075mm（为

,屋架杆件几何长度见施工图（跨中起拱按L/500考虑）。根据车间长度、L0/7.7）

屋架跨度和荷载情况，设置上下弦横向水平支撑、垂直支撑和系杆，见图。因连

接孔和连接零件上有区别，图中给出了W1、W2、W3三种编号。

图1.杆件尺寸

2

桁架及桁架上弦支撑布置桁架及桁架下弦支撑布置垂直支撑 1-1垂直支撑 2-2

符号说明：SC：上弦支撑； XC：下弦支撑； CC：垂直支撑

GG：刚性系杆； LG：柔性系杆

图2.桁架支撑布置

3.荷载和内力分析 （1）荷载计算

3

二毡三油上铺小石子 0.35kN/m2 找平层（20mm厚） 0.40kN/m2 泡沫混凝土保温层（100mm厚） 0.6kN/m2 预应力混凝土大型屋面板（包括灌封） 1.4 kN/m2 屋架和支撑自重 0.12?0.011L?0.12?0.011?24?0.38 kN/m2

恒荷载总和 3.13kN/m2 活荷载（或雪荷载） 0.65kN/m2

可变荷载总和 0.65kN/m2

屋面坡度不大，对荷载影响小，未予考虑。风荷载对屋面为吸力，重屋盖可不考虑。

（2）荷载组合

一般考虑全跨荷载，对跨中的部分斜杆可考虑半跨荷载，本方案在设计杆件截面时，将跨中央每侧各两根斜腹杆均按压杆控制其长细比，不必考虑半跨荷载作用情况，只计算全跨满载时的杆件内力。 节点荷载设计值：

按可变荷载效应控制的组合：

Fd??1.2?3.13?1.4?0.65??1.5?6?41.994kN 其中，永久荷载，荷载分项系数?Q1?1.2；

屋面活荷载或雪荷载，荷载分项系数?Q1?1.4；

组合系数?1?0.7；

按永久荷载效应控制的组合：

Fd??1.35?3.13?1.4?0.65?0.7??1.5?6?43.763kN 其中，永久荷载，荷载分项系数?G?1.35； 荷载分项系数?Q1?1.4：

组合系数?1?0.7；

故节点荷载取为43.763kN，支座反力为Rd?10Fd?43.763kN

（3）内力计算

用图解法或数解法皆可解出全跨荷载作用下屋架杆件的内力。其内力设计值见附表一。

4

4.截面选择

腹杆最大内力470.35kN，查表7.4，选用中间节点板厚度为t?10mm，支座节点板厚12mm。 A．上弦

整个上弦不改截面，按最大内力计算：

Nmax??788.27kN,l0x?150.7cm,l0y?300.0cm

选用2L140*10，A?54.74cm2,ix?4.34cm,iy?6.12cm

l0x150.7??35 ix4.34l0y300 ?y???49?????150，?y?0.87?b类?

iy6.12 ?x?双角钢T型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细比?yz

0.58l0y0.58*300b12??12???14.5，故应按式（4.15）计算?yz t1.0b124?0.475b4???0.475*12?yz??y?1?22??49*?1??3002*1.02???54??y ??lt??0y??故由?max??yz?54，按b类查附表4.2，得??0.838

N788.27*103????171.84N/mm2?f?215N/mm2 2?A0.838*54.74*10填板每个节间放一块（满足l1范围内不少于两块），la?75.4cm?40i?40*4.34?173.6cm。 B.下弦

下弦也不改变截面，按最大内力计算。

连接支撑的螺栓中心至节点板边缘Nmax?779.07kN，lox?300cm，l0y?1500cm，的距离约为100mm（de）间，可不考虑螺孔削弱。

选用2L180*110*10（短肢相并），A?56.8cm2,ix?3.03cm,iy?8.71cm。

300?96?????350 3.131500?172?????350 ?y?8.71N779.07*10322????137.2N/mm?215N/mm 2A56.8*10填板每个节间放一块，l1?150cm?80i?80*5.8?464cm。 C.斜腹杆

a．杆件B-a：N??470.35kN,l0x?l0y?255.8cm

?x? 选用2L80*8，A?24.6cm2,ix?2.44,iy?3.62

255.8?104.8?1502.44

255.8?y??70.7?1503.62?x? 5

N470.35*10322????191.2N/mm?215N/mm 2A24.6*10b．杆件：E-c：N??52.89kN,l0x?0.8*252.8?202.2cm,l0y?252.8cm

内力较小可按???选择截面。

l202.2ix?0x??1.35cm???150

l0y252.8iy???1.69cm???150选2L50*3，A?6.68cm2,ix?1.55,iy?2.64，填板放三块，la?大于40i?40*1.55?62cm。

但实际节点宽度较大，故仍可够用。 其余各个杆件见附表二。

6

252.8?63.2，略45.节点设计

（1）下弦节点“b”（如图）

52.89357.85280.26235.31605.59先算腹杆与节点板的连接焊缝；B-b杆肢背及肢尖焊缝的焊脚尺寸取

： hf1?8mm,hf2?6mm，则所需焊缝长度（考虑起灭弧缺陷）

2/3*357.85*103?2*8?158mm，用160mm； 肢背lw1?2*0.7*8*1501/3*357.85*103?2*6?107mm，用110mm。 肢尖lw2?2*0.7*6*150腹杆C-b和D-b的杆端焊缝同理计算，其中C-b杆内力较小，焊缝按构造采用。 其次验算下弦杆与节点板连接焊缝，内力差?N?Nbc?Nab?605.59?235.31?370.28kN。肢背的力最大，取肢背进行计算，

则肢背处的焊缝应力为：

0.75?370080N?f??85.2Nmm2＜160Nmm2

2?0.7?6mm?（400-12）焊缝满足要求。 （2）.上弦节点B

“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。 “Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为hf?10mm和8mm，所需的焊缝长度为：

0.65N0.65?470350N??136.5mm，加2hf后取16cm

2heffw2?0.7?10mm?160Nmm20.3N0.35?470350N''??91.9mm，加2hf后取11cm 肢尖： lw?2heffw2?0.7?8mm?160Nmm2' 肢背： lw? 7

考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，选择节点板尺寸为295mm?480mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆的焊缝：

忽略桁架上弦坡度的影响，假定集中荷载F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载，肢尖承受左右弦杆的内力差。

11槽焊缝的计算焊角尺寸为h'f?节点板厚度??10?5mm ，h''f=8mm

22由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，

?F?KN?N?????2???1?1?2?1.22??'2?0.7?h'flw22?52890?0.75?462420N??????2?1.22?

2?0.7?5??480?10?22?105.6Nmm2<0.8ffw?0.8?160Nmm2?128Nmm2上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

?F?KN?N???????2??21?2?1.22??''''2?0.7?hflw2252890??0.25?462420N??????2?1.22? 2?0.7?8??480?16?22?22.6Nmm2<0.8ffw?160Nmm2故焊缝满足要求。 （3）下弦节点“c”

设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝hf?6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

0.7N0.7?186230N??97.0mm，加2hf后取11cm 2heffw2?0.7?6mm?160Nmm20.3N0.3?186230N''???41.6mm，加2hf后取6cm 肢尖： lw2heffw2?0.7?6mm?160Nmm2'? 肢背：lw设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf?6mm和6mm，所需的焊缝长度为：

8

0.7N0.7?120380N??62.7mm，加2hf后取8cm 2heffw2?0.7?6mm?160Nmm20.3N0.3?120380N'' 肢尖： lw由于焊缝计算长度???26.9mm，

2heffw2?0.7?6mm?160Nmm2' 肢背：lw?不得小于8hf和40mm，肢尖焊缝长度取6cm。

“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取hf?6mm。

节点板取265mm?315mm，取hf?6mm，下弦杆与节点板的焊缝长度为315mm，焊缝受左右弦杆的内力差为?N?759.5kN?605.59kN?153.91kN，受力较大的肢背处的剪应力为：

0.75?153910N?f??45.4Nmm2＜160Nmm2

2?0.7?6mm?（315-12）焊缝强度满足要求。 （4）下弦节点“d”

设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝hf?6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw?0.7N0.7?58020N??30.2mm<8hf?48mm，计算22heffw2?0.7?6mm?160Nmm0.3N0.3?58020N??13.0mm <8hf?48mm，计2heffw2?0.7?6mm?160Nmm2长度取48mm，加2hf后取7cm

'' 肢尖： lw?算长度取48mm，加2hf后取6cm

设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf?6mm和6mm，所需的焊缝长度为：

' 肢背： lw?0.7N0.7?39310N??20.5mm<8hf?48mm，计算w22heff2?0.7?6mm?160Nmm0.3N0.3?39310N??8.8mm<8hf?48mm，计算2heffw2?0.7?6mm?160Nmm2长度取48mm，加2hf后取7cm

'' 肢尖： lw?长度取48mm，加2hf后取6cm。

“Cb”杆的内力为52890N，hf?6mm。

'肢背：lw?0.7N0.7?52890N??39.3mm<8hf?48mm，焊缝w22heff2?0.7?6mm?160Nmm长度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取6cm。

节点板取255mm?285mm，由于d点左右两端的拉力值相差不大，可只按构造确定其焊角尺寸为hf?6mm。

（5）下弦节点“e”

腹杆“eH”计算内力为97.75kN，hf?6mm，肢背的焊缝长度为：

0.7N0.7?97750N??50.9mm，加2hf后取7cm 2heffw2?0.7?6mm?160Nmm20.3N0.3?97750N'???21.8mm<48mm，取焊缝长度为6cm。肢尖：lww22heff2?0.7?6mm?160Nmm'lw? 9

节点板取325mm?270mm。验算下弦节点板的焊缝。

计算内力为0.15?779.07kN=116.86kN，hf?6mm，焊缝长度为270，焊缝肢背

0.75?116860N?40.44Nmm2＜160Nmm2，肢尖受

2?0.7?6mm?（270-12）力较小，不必验算。故焊缝合适。 竖杆“eI”焊缝计算：

0.3N0.7?14439N''lw???56.4mm拉力为144.39kN，取hf?8mm，w22heff2?0.7?8mm?160Nmm的剪应力为：?f?考虑起弧和灭弧，焊缝长度取7cm，肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为6cm。 下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为t?hf?5mm??10?6?5?mm?21mm

1??A2f11?2hf???10?20?mm l?2??4?0.7h?fw?ff???4452?215??2??2?6???10?20?mm=368??10?20?mm ?4?0.7?6?160?拼接角钢的总长度取40cm。

图6.5.1 （6）上弦节点“C”、“E”、“G”。

由于节点处左右弦杆的内力值相等，且竖杆的内力设计值相同，故采用相同的节点板。焊脚尺寸取6mm，焊缝长度取6cm。连接板的尺寸如上图6.5.1 上弦点“D”，“F”、“H”焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。 节点“D”：杆“Db” 肢背：hf?8mm，lw?14cm肢尖：hf?6mm，lw?7cm

杆“Dc” 肢背：hf?6mm，lw?11cm肢尖：hf?6mm，lw?6cm 节点“F”：杆“Fc” 肢背：hf?6mm，lw?8cm肢尖：hf?6mm，lw?6cm 杆“Fd” 肢背：hf?6mm，lw?7cm肢尖：hf?6mm，lw?6cm 节点“H”：杆“Hd” 肢背：hf?6mm，lw?7cm肢尖：hf?6mm，lw?6cm 杆“He” 肢背：hf?6mm，lw?7cm肢尖：hf?6mm，lw?6cm 节点“D”、“F”、“H”所选择的连接板尺寸分别为：230mm?335mm，220mm?255mm，235mm?245mm。 （7）屋脊节点“I”

采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，截取的垂直肢的宽度为：

，其中hf取8mm，接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。t?hf?5mm?23mm751040N?209.6mm，拼接角钢24?0.7?8mm?160mm的长度取500mm>2?209.6mm+4?8mm+15?2=481.2mm，合适。

根据腹杆的内力，取节点板尺寸为200mm?450mm，上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为450mm-2x15mm-4hf，hf=5mm，故计算长

一条焊缝所需的焊缝长度为：lw?度为3800mm，节点荷载为52.89kN，焊缝承受的剪应力：

F52890N?f???19.9Nmm2＜160Nmm2，满足。

2?0.7?hf?lw2?0.7?5mm?380mm上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%，设肢尖的焊

10

缝hf=8mm，节点板的长度为200mm，则节点一侧弦杆的计算长度为：

lw?450mm?15mm?2?8mm?194mm，焊缝应力为： 20.15?751040N?N?51.8Nmm2 f?2?0.7?8mm?194mm0.15?751040N?75mm?6??120.3Nmm2 ?Mf222?0.7?8mm?194mm22??M??122.3Nmm2?fN222??51.8Nmm????112.8Nmm2＜160Nmm2 ???f?????1.22?1.22????（8）支座节点“a”

6.8.1 支座节点6.8.2 支座底板腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：肢尖：hf?8mm hf?10mm lw?16cm，

lw?11cm。节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸如图6.8.1，下弦杆焊脚尺寸为肢背：hf?8mmlw?14cm，肢尖：hf?6mmlw?14cm，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为hf?6mm lw?6cm，经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋与节点板的高度相等，厚度为12mm。 ① 支座底板的计算

支座反力： R=8F=8?52.89kN=423.12kN

R423120N 支座所需的净截面为：An???33849.6mm2 2fc12.5Nmm选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=67280mm2>33849.6mm2，故底板的面积合适。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。

根据底板尺寸确定a1?171.2mm b1?81.2m，mb1/a1=0.474查表得?的值为0.054。底板下的平均应力为：

423120N???6.29Nmm2 267280mm

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每块板的单位宽度的最大弯矩为：

M???a12?0.054?6.29Nmm2?171.22mm2?9955.2N?mmmm

底板厚度：

6M6?9955.2N?mmmmt???16.7mm 2f215Nmm取t=18mm。

②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。 计算简图如图6.8.3

假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为R4?423120N4?105780N，则焊

V?105780N缝的内力为 2M=10578?0N35mm=3702300Nmm设焊缝hf?6mm，焊缝的计算长度为：

MV lw?495mm?12mm?15mm?468mm，则焊缝的应力：R/4图6.8.1 加劲肋计算简图 V105780N?f???26.9Nmm22?0.7?hf?lw2?0.7?6mm?468mm6M6?3702300N?mm??12.1Nmm22222?0.7hf?lw2?0.7?6mm?468mm

22????f2??f???26.9Nmm2???12.1Nmm2??29.5Nmm2＜160Nmm2，满足。

1.22??② 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。

设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N，节点板传递的力为R/2=211560N。

设节点板与焊缝的焊脚尺寸hf?6mm，则焊缝的计算长度我为：

?f??lw?2??290mm?12mm??556mm

节点板的应力：

?f?R2211560N?0.7?hf?lw0.7?6mm?556mm

2 195.22N/mm2?90.6Nmm?1.?221602N?mm强度满足。

加劲肋焊脚尺寸hf?8mm每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：

?lw?2??100mm?15mm?12mm??126mm

加劲肋焊缝的应力为：

?f?强度满足。

R4105780N?0.7?hf?lw0.7?8mm?126mm

?149.9Nmm2?1.22?160Nmm2?195.22Nmm2

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参考资料

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中国建筑工业出版社，2004

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究院，2005

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杆件名称 内力系数 全跨① 左半跨右半跨② ③ 0.00 -8.74 -13.37 -14.90 -14.20 4.45 11.45 14.36 14.73 -8.89 6.77 -5.30 3.52 -2.28 0.95 0.18 -1.51 -0.50 -1.00 -1.00 -1.00 2.73 0.00 -6.26 -8.93 -8.96 -7.10 3.52 7.95 9.16 8.19 -6.55 4.68 -3.31 1.79 -0.59 -0.54 1.61 -2.67 -0.50 -1.00 -1.00 -1.00 1.37 0.00 -2.48 -4.44 -5.50 -7.10 1.26 3.50 5.20 6.54 -2.35 2.08 -1.99 1.74 -1.68 1.49 -1.46 1.16 0.00 0.00 0.00 0.00 1.37 第一种组合F?① 0.00 -462.42 -707.14 -788.27 -751.04 235.31 605.59 759.50 779.07 -470.35 357.85 -280.26 186.23 -120.38 50.03 9.73 -80.08 -26.45 -52.89 -52.89 -52.89 144.39 F1,1?①?F2,1?② F1,2第二种组合 ?①?F?①1,1?F1,2?①?F2,2?③ 计算杆件内力 /kN 0.00 -462.42 -707.14 -788.27 -751.04 235.31 605.59 759.50 779. 07 -470.35 357.85 -280.26 186.23 -120.38 58.02 73.4 -76.29 -26.45 -52.89 -52.89 -52.89 144.39 F2,2?②F2,1?③上弦 AB BC、CD DE、EF FG、GH HI 下弦 ab bc cd de 斜腹aB 杆 Bb bD Dc cF Fd dH He 竖杆 Aa Cb Ec Gd Ie 0.00 -426.03 -642.02 -700.99 -646.81 221.66 554.18 683.15 683.11 -435.93 327.28 -251.02 160.74 -95.69 28.16 30.67 -97.09 -26.45 -52.89 -52.89 -52.89 124.35 0.00 -405.55 -609.01 -661.53 -605.42 212.12 526.70 646.53 642.36 -415.57 311.00 -237.32 150.54 -87.61 22.71 34.15 -97.75 -25.65 -51.30 -51.30 -51.30 116.39 0.00 -370.48 -575.99 -650.16 -646.81 188.49 488.93 625.08 658.81 -374.23 289.12 -231.73 160.02 -111.66 58.02 -14.34 -40.84 -19.11 -38.21 -38.21 -38.21 124.35 0.00 -339.98 -531.05 -601.53 -605.42 172.97 449.66 577.98 613.68 -342.73 265.96 -214.55 149.69 -106.46 57.96 -18.98 -31.35 -16.99 -33.97 -33.97 -33.97 116.39 14

内力设计值 杆件名称 杆件号 截面积 计算应力 2N?kN? l0x l0y 所用截面 Acm2 54.74 56.80 12.3 24.6 23.86 9.6 13.71 19.02 9.6 13.76 9.6 ???N/mm? 171.84 137.20 21.5 191.2 149.98 55.09 204.4 97.91 55.09 87.49 60.44 杆件端部的容许长细比 角钢肢背和 肢尖焊缝 ??? ?mm? 150 350 150 150 350 150 150 350 150 150 350 - - - 10-190 6-170 8-190 6-130 - 8-160 6-110 6-170 5-110 - 6-130 5-80 5-120 5-80 填板数 上弦杆 下弦杆 腹杆 F-G G-H d-e A-a B-a B-b C-b D-b D-c E-c F-c F-d -788.27 779.07 -26.45 -470.35 357.85 -52.89 -280.26 186.23 -52.89 -120.38 58.02 1.507 3.000 1.995 2.558 0.8*2.560=2.048 0.8*2.255=1.804 0.8*2.812=2.250 0.8*2.816=2.253 08*2.528=2.022 0.8*3.057=2.446 0.8*3.058=2.445 3.000 1.500 1.995 2.558 2.560 2.255 2.812 2.816 2.528 3.057 3.058 2L140*10 2L180*110*10 2L63*5 2L80*8 2L100*6 2L50*5 2L70*5 2L63*8 2L50*5 2L70*5 2L50*5 每节间1 每节间1 2 2 2 2 2 2 3 2 2 15

腹杆 G-d H-d H-e I-e -52.89 73.4 -76.29 144.39 0.8*2.802=2.412 0.8*3.299=2.639 0.8*3.299=2.639 0.8*3.075=2.46 2.802 3.299 3.299 3.075 2L50*5 2L70*5 2L70*5 2L70*5 9.6 13.76 13.76 13.76 55.09 53.34 55.44 104.93 150 150 150 150 - 6-80 5-80 - - 3 3 3 3

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